DSP+單片機(jī)的主從式電動(dòng)輪椅控制器設(shè)計(jì)分析

王獻(xiàn)加

摘 要：本文將在DSP+單片機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)主從式電動(dòng)輪椅控制器進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，以此為提高電動(dòng)輪椅的控制靈活性、應(yīng)用安全性奠定良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：DSP+單片機(jī);主從式電動(dòng)輪椅;控制器;設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪椅是以電能為動(dòng)力支撐的智能設(shè)備，它的操作簡(jiǎn)單，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，在幫助腿腳不便的中老年人出行方面有積極意義，是殘疾人心目中較為理想的一種代步車型。但就國(guó)內(nèi)在電動(dòng)輪椅的制造方面來(lái)說(shuō)，目前我國(guó)在電動(dòng)輪椅的生產(chǎn)制造方面有些關(guān)鍵零件仍需要從國(guó)外獲取，尤其是在電動(dòng)輪椅的控制器的應(yīng)用上，主要還是從國(guó)外進(jìn)口，這在一定程度上提高了電動(dòng)輪椅的制造成本，使得普通家庭根本承擔(dān)不起它的銷售“高價(jià)”，這一問(wèn)題對(duì)我國(guó)的電動(dòng)輪椅市場(chǎng)的發(fā)展也造成了極大的限制。鑒于此，本文從DSP+單片機(jī)的基礎(chǔ)上著手，對(duì)主從式電動(dòng)輪椅的控制器進(jìn)行了系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)，從根本上提高了控制器的應(yīng)用靈活性，為降低電動(dòng)輪椅的生產(chǎn)成本奠定了良好的基礎(chǔ)。

1控制方案的選擇

在速度控制方面，通常采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋技術(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中對(duì)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的理想動(dòng)靜態(tài)性能主要是通過(guò)測(cè)速發(fā)生器或光電碼盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，精度很高[1]，但系統(tǒng)中使用的發(fā)動(dòng)機(jī)體積小，安裝在輪椅上。如果加上速度發(fā)生器，輪椅就更難了，而且系統(tǒng)的速度控制精度不高，所以采用速度電機(jī)鉗位電壓來(lái)估算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，既節(jié)省了成本，又縮小了控制器的體積。

為了實(shí)現(xiàn)輪椅的基本操作：前、后、左、右、停止、行進(jìn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中根據(jù)輪椅的運(yùn)動(dòng)特性和發(fā)動(dòng)機(jī)相對(duì)于輪椅的牽引方式，需要兩臺(tái)四象限直流電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行。因此，sir-H驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用兩套雙極性直流電機(jī)控制[2]。

2驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

該IR2110型功率 MOSFET驅(qū)動(dòng)器主要由高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電路、低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及輸入邏輯電路等構(gòu)成。

與功率地（COM）相比，高壓側(cè)溝道電位基準(zhǔn)點(diǎn)（VS）可在-5v～V.500范圍內(nèi)浮動(dòng)，其浮動(dòng)電平基準(zhǔn)點(diǎn)為6英尺（VS），浮動(dòng)電位電源為7英尺（VB），自舉電容器C1。安裝在高壓側(cè)電源管的兩個(gè)浮子插頭VS源極之間，當(dāng)高壓側(cè)電源管斷開(kāi)，低壓側(cè)電源管通電時(shí)，將VS向下拉，靠近COM，電源15V電源由自舉二極管D1充電。當(dāng)高壓側(cè)電源線通電時(shí)，引腳VS在高壓側(cè)電源附近浮動(dòng)，允許電壓為+500 V。

3 DSP 控制系統(tǒng)及信號(hào)檢測(cè)電路分析設(shè)計(jì)

功率控制電路的核心是DSP控制系統(tǒng)。主要部件包括：TI公司DSP芯片TMS320LF2406、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換芯片、edge晶體振蕩器、JTAG編程接口電路;其他外圍電路包括輪椅門(mén)控制檢測(cè)電路、直流電機(jī)電壓、電流采樣電路、SCI通信模塊、功率MOSFET檢測(cè)電路。

電壓及電流檢測(cè)電路

（1）電機(jī)電壓檢測(cè)電路

在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了同步采樣電路，將電機(jī)兩端的接地電壓U，U-，送入分壓限流保護(hù)，再送入DSP AD采樣模塊進(jìn)行軟件差分，得到電機(jī)兩端的電壓值。圖形 C為濾波容量。

（2）電機(jī)電流檢測(cè)電路

主電路上的電流通過(guò)串聯(lián)采樣電阻在電橋電路的低電壓下檢測(cè)。在H橋的兩個(gè)臂的底部，檢測(cè)電路串聯(lián)電壓信號(hào)VL的采樣電阻VR加上參考電壓Vref，Vout[3]。通過(guò)運(yùn)算放大器調(diào)節(jié)Rf得到，只有R1、R2、R3、R4值，Vout可以保持在0～3.3V，以1.65V為中心的對(duì)稱電壓值輸入DSP，在零電流時(shí)電路輸出V;1.65流過(guò)電機(jī)的電流為正，輸出電壓為1.65～3.3V;流經(jīng)電機(jī)的電流為0～1.65V。

4液晶顯示器模塊電路及控制軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用基于ST7920控制器的 LCD顯示模塊。內(nèi)置8192個(gè)漢字（16*16數(shù)組）、128個(gè)ASCII字符庫(kù)（8*16數(shù)組）和64*256數(shù)組顯示RAM（GDRAM）。為了滿足多個(gè)微處理器和單片機(jī)接口的需要，模塊還提供了4位并行、8位并行、2線串行和3線串行等接口方式。為了使?jié)h字和圖形的顯示更加簡(jiǎn)單有效，模塊設(shè)計(jì)了2MB漢字CGRAM和64*256點(diǎn)陣式GDRAM繪圖區(qū)，同時(shí)模塊還提供了4套可編程控制的16*16點(diǎn)陣字體空間;知道液晶顯示模塊對(duì)讀、寫(xiě)時(shí)序的要求后，就可以編程了。該液晶模塊顯示的信息主要分為三個(gè)部分：1，當(dāng)輪椅正常工作時(shí)，以圖形化方式顯示電池電量和輪椅加減速檔位;2，在故障模式下，以文字方式顯示所發(fā)生的故障類型，便于用戶進(jìn)行檢查排除;3，在參數(shù)設(shè)置模式下，顯示可以設(shè)置的參數(shù)信息及其變化范圍。當(dāng)系統(tǒng)上電后， LCD模塊應(yīng)能正確初始化。除了正確配置 I/O接口外，ST7920液晶模塊的初始化也要在其內(nèi)部寫(xiě)上初始化命令。液晶顯示器的初始化工作完成后，就可以對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，讀寫(xiě)不涉及任何中斷或復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，模塊化封裝后的顯示內(nèi)容，在需要時(shí)直接調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，非常方便。

5基于 USART 的通訊模塊設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)

在PIC單層芯片微計(jì)算機(jī)中，通用同步收發(fā)機(jī)是一個(gè)常用的串行通信接口，可以設(shè)置為全對(duì)通訊模式，也可以設(shè)置為反雙向通信模式，該模塊的非同步串行通信方式應(yīng)用范圍最廣。利用異步串行接口可方便地實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC機(jī)的通訊，也可實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)分布式控制。由于單片機(jī)控制電路和 DSP控制電路之間的通信距離不到1米，所以有很多種異步串行通信協(xié)議，本設(shè)計(jì)采用RS-232協(xié)議實(shí)現(xiàn)聯(lián)機(jī)通信。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）發(fā)布了RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線被廣泛應(yīng)用于異步串行通信。

其中包括電氣和機(jī)械部分的位串行傳輸規(guī)則，適用于短距離通信或有調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合。EIA還發(fā)布了RS-422，RS-423和RS-485串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)，以提高數(shù)據(jù)傳輸速率和通信距離。MCU的 USART模塊工作在異步通信模式下，每個(gè)數(shù)據(jù)編碼都使用標(biāo)準(zhǔn)的非歸零編碼（NRZ），1為高電壓，0為低電壓。一次完整的字節(jié)通訊由1開(kāi)始位據(jù)0引導(dǎo)，后面跟著8或9位數(shù)據(jù)信息，最后以高電平停止位結(jié)束。因?yàn)?USART模塊不支持硬件自動(dòng)計(jì)算校驗(yàn)位，所以需要自編軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通訊時(shí)，接收方同意奇偶校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。接受者每收到一次完整的數(shù)據(jù)，就立即進(jìn)行一次真正有用的8位數(shù)據(jù)信息的奇偶檢查，如果數(shù)據(jù)正確，所得到的校驗(yàn)位應(yīng)等于9位數(shù)據(jù)[35][36]。MCU控制板發(fā)送到 DSP電源板的通信信號(hào)包括：電機(jī)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)、操縱桿信號(hào) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、速度檔位信號(hào)、開(kāi)機(jī)信號(hào)、關(guān)閉信號(hào)。其中， DSP功放發(fā)送到單片機(jī)控制板的信號(hào)以故障信號(hào)為主。

總結(jié)

在國(guó)外，電動(dòng)輪椅及其控制技術(shù)已經(jīng)得到了多年的研究，而在國(guó)內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)的研究還處于起步階段。在廣泛查閱國(guó)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)課題的需要和控制技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展趨勢(shì)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套以數(shù)字信號(hào)處理器為核心，以單片機(jī)為核心的主從電動(dòng)輪椅控制器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。這一設(shè)計(jì)在一定程度上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)技術(shù)空白，為今后進(jìn)一步研究電動(dòng)輪椅的智能化、網(wǎng)絡(luò)化提供了一個(gè)硬件平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

[1]白創(chuàng)，李帆，汪東.L-DSP片上調(diào)試電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，47（8）：69-73.

[2]宋連慶，萬(wàn)卓，韋新磊， 等.基于DSP-FPGA的APF的硬件設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46（5）：74-78.

[3]胡躍祥.基于DSP的電動(dòng)輪椅雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].江蘇：南京理工大學(xué)，2015.

（寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院 ?浙江 ?寧波 ?315000）